工业纯水制备的概述

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1、 工业纯水制备的概述1纯水的应用范围水一向被称为工业系统的“血液”。随着高新技术的发展，工业部门对水、气、化学试剂及环境这些基础条件提出了越来越高的要求。这也促进了相应产业和技术的进步，水作为一种应用量最大、面最广的基本材料，其发展的速度尤为迅速。当今，纯水和超纯水已成为现代工业部门必不可少的基础材料之一，它们在电子、医药、能源、化工、汽车、机械、电镀、电池、冶金等几乎全部的工业及实验室领域中已得到了广泛的应用。 （1）纯水在电子工业中的应用 （2）纯水在医药工业中的应用（3）纯水在能源工业中的应用 （4）纯水在化工工业中的应用 （5）纯水在其他工业中的应用2、纯水在电子工业中的应用电子级超纯

2、水主要用于光电子元器件、半导体及集成电路生产和清洗。在半导体及集成电路制作工艺中，都直接或间接与超纯水有关。在半导体制作工艺中，80%以上的工序需要用超纯水；集成电路的生产，几乎每道工序需要超纯水进行清洗，工件与水直接接触，而一方面芯片在加工过程中的微量玷污得到清洗，而另一方面纯水中的微量杂质又可能使芯片再污染，无疑对产品有着极大的影响。 随着集成电路程度的进一步提高，对水中污染物要求亦将更为严格。根据水源水质检测报告，在对水质进行分析的前提下，并以出水水质要求为依据，确定一套适合该原水水质处理的水系统。1 设计条件1.1设计要求1 、终端出水水量为：20m3/h 2、终端水质达到电子级超纯水

3、中国国家标准GB/T11446.1-1997之EW-规定。 3、设计内容须包括： 1）系统工艺路线的确定并绘制工艺流程简图 2）水量平衡计算并绘制水量平衡图 3）系统各设备技术参数的设计计算 4、整个设计要求工艺先进，质量可靠，可扩展性强，结构合理占地小，水利用率高，能耗低，全自动化运行，操作维护简单。1.2原水水质报告 水质检测报告（五） 离子mg/lmmol/l%项目mg/lK+5.00.131.9总硬度260.2Na+31.01.3520.2永久硬度100.1Ca2+82.164.1061.4暂时硬度160.1Mg2+13.381.1016.5负硬度0.00Fe3+0.05总碱度160.

4、1Fe2+PH值7.4NH4+0.02气味无总计131.56.68100.0色度Cl-43.611.2318.1浑浊度4NTUSO42-98.002.0430.0水温25HCO3-195.33.2047.1气温CO32-0.00可溶性总固体403.0NO3-20.570.334.9游离CO219.17NO2-0.004CODMn3.20HPO42-0.10H2SiO315.12总计357.56.8100.1F0.37Al0.02出水水质要求：终端水质达到电子级超纯水中国国家标准GB/T11446.1-1997之EW-规定。指标级别EWEW EWEW-电阻率 M，cm(25)18以上，（95时间

5、）不低于1715，（95时间）不低于1312.00.5全硅，最大值,g/L2105010001m微粒数，最大值，个/mL0.1510500细菌个数，最大值，个/mL0.010.110100铜，最大值，g/L0.212500锌，最大值，g/L0.215500镍，最大值，g/L0.112500钠，最大值，g/L0.5251000钾，最大值，g/L0.525500氯，最大值，g/L11101000硝酸根，最大值，g/L115500磷酸根，最大值，g/L115500硫酸根，最大值，g/L115500总有机酸，最大值，g/L2010020010001.3原水水质分析结果 含盐量高 ；这其中 钠离子量、钙

6、离子、镁离子、氯离子、硫酸根、硝酸根、碳酸氢根含量高。 浊度高 硬度高、碱度高 有机物含量低 水质偏碱性 游离CO2含量较高 硅酸凝胶较高 含 可溶性总固体含量高 含有少量F和Al离子 根据水质检测报告，要达到终端水质达到电子级超纯水中国国家标准GB/T11446.1-1997之EW-规定；必须进行除盐处理等。2、电子超纯水的制备技术及工艺 超纯水的制备通常由预处理、主除盐工序、后处理三大部分组成。预处理是为了满足主主除盐工序进水要求；后处理工艺作为主主除盐工序的补充，其出水满足终端出水要求。最终使出水达到国家超纯水的标准。 目前制备超纯水的主除盐工序有：电渗析、反渗透、离子交换、超滤、连续电

7、除盐等或将它们组合运用，以达到出水要求。下面就分别介绍它们的特点，通过比较选择出适合本工艺的除盐工序。2.1电渗析电渗析是一种利用电能来进行的膜分离技术。它在外加直流电场作用下，利用阴离子交换膜（简称阴膜，它只允许阴离子通过而阻挡阳离子）和阳离子交换膜（简称阳膜，它只允许阳离子透过而阻挡阴离子）的选择透过性，使一部分离子透过离子交换膜迁移到另一部分水中去，从而使一部分水纯化，另一部分水浓缩。应用范围目前电渗析器应用范围广泛，它在水的淡化除盐、海水浓缩制盐精制乳制品，果汁脱酸精和提纯，制取化工产品等方面,还可以用于食品，轻工等行业制取纯水、电子、医药等工业制取高纯水的前处理。锅炉给水的初级软化脱

8、盐，将苦咸水淡化为饮用水。 电渗析器适用于电子、医药、化工、火力发电、食品、啤酒、饮料、印染及涂装等行业的给水处理。也可用于物料的浓缩、提纯、分离等物理化学过程。 电渗析还可以用于废水、废液的处理与贵重金属的回收，如从电镀废液中回收镍。电渗析的优点： 电渗析无相变过程。因此电渗析器耗能低，一般将电渗析作为离子交换法的前级处理工序。这样比单独用离子交换法可节约50%90%。并且电渗析出水稳定、运行周期长。 电渗析器组装灵活。电渗析器既可以并联组装增加产水量，也可以串联以提高脱盐率。 电渗析器操作简便，污染环境少。 电渗析的缺点：清洗拆卸麻烦，脱盐效果不如反渗透，在没有实现浓水回收，极水循环的时候

9、，水回用率低，仅50%，而反渗透回收能到75%。2.2反渗透 反渗透是一种以压力作为推动力，利用选择性膜只能透过水而不能透过溶质的选择透过性，从水体中提取淡水的膜分离过程。 基本原理把相同体积的稀溶液（如淡水）和浓液（如海水或盐水）分别置于一容器的两侧，中间用半透膜阻隔，稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜，向浓溶液侧流动，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，形成一个压力差，达到渗透平衡状态，此种压力差即为渗透压渗透压的大小决定于浓液的种类，浓度和温度与半透膜的性质无关。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称

10、为反渗透。应用范围太空水、纯净水、蒸馏水等制备； 酒类制造及降度用水； 医药、电子等行业用水的前期制备； 化工工艺的浓缩、分离、提纯及配水制备； 锅炉补给水除盐软水;； 海水、苦咸水淡化； 造纸、电镀、印染等行业用水级废水处理。反渗透-膜应用现状在各种膜分离技术中，反渗透技术是近年来国内应用最成功、发展最快、普及最广的一种。估计自1995年以来，反渗透膜的使用量每年平均递增20；据保守的统计，1999年工业反渗透膜元件的市场供应量为8英寸膜6000支，4英寸膜26000支。2000年和2001年的市场更为强劲，膜用量一年比一年有较大幅度的提高。据估算，反渗透技术的应用已创造水处理行业全年10亿

11、人民币以上的产值。 国内反渗透膜工业应用的最大领域仍为大型锅炉补给水、各种工业纯水，饮用水的市场规模次之，电子、半导体、制药、医疗、食品、饮料、酒类、化工、环保等行业的应用也形成了一定规模。在现在高纯水的制备中，广泛采用反渗透作为预脱盐的主要工序，它的优点为：（1）由于反渗透装置的脱盐率一般可稳定在90%以上，因而使离子交换树脂的负荷减轻到10%，从而减少了树脂再生的成本，这相当于使树脂的产水量增加10倍，这样可以使相应的设备小型化，并使再生频率减少10倍以上。（2）减少了因树脂再生所消耗的化学药品如NaOH，HCl等的费用、人工费，以及由于再生而造成的废水处理等项费用。并减少了环境污染。（3

12、）减缓了由于源水水质波动而造成的产水水质的变化，从而有利于生产中水质的稳定，这对电子工业中成品质量的稳定有积极的作用。（4）由于反渗透能有效地去除细菌等微生物、有机物，以及铁、锰、硅等无机物，从而可以减轻因有机物和无机物而引起的树脂污染，延长离子交换树脂的寿命。（5）设置反渗透器后，大大减轻了终端微孔膜过滤器的负担，从而延长终端微孔膜过滤器的寿命。但是作为脱盐主要手段的反渗透，也存在一些不足，主要是：（1）由于反渗透装置要在高压下运转，因此必须配制相应的高压泵和高压管路。（2）由于回收率的限制，源水只有50%75%左右被利用。而对于超纯水制备来说，进入反渗透器以前，源水已经过相应的预处理，水质

13、比较好，如果对浓水不进行有效地利用，将会造成浪费。 2.3离子交换 基本原理：离子交换是一种特殊的固体吸附过程，它是由离子交换剂在电解质溶液中进行的。一般的离子交换剂是一种不溶于水的固体颗粒状物质，即离子交换树脂。它能够从电解质溶液中吸取某种阳离子或者阴离子，而把自身所含的另外一种带相同电荷符号的离子等量地交换出来，并释放到溶液中去，这就是所谓的离子交换。应用范围： 水的软化、高纯水的制备、环境废水的净化。溶液和物质的纯化，如铀的提取和纯化。金属离子的分离、痕量离子的富集及干扰离子的除去。抗菌素的提取和纯化等。离子交换的优点 化学稳定性好 机械强度高 交换容量高 外形大多为球状颗粒，水流阻力小

14、。 2.4超滤 超滤的分离原理是用半透膜作选择障碍层，允许某些组分透过，而保留混合物中其他组分，从而达到分离、分级、纯化、浓缩目的的一种新型膜分离技术。 超滤装置的使用领域反渗透给水的预处理，高效、紧凑的超滤因过滤精度很高，可以为反渗透膜提供最大限度的保护 大中型饮用水厂的深度处理 市政及工业废水处理：超滤可比传统处理工艺提供更好的处理效果，实现中水、废水回用 循环排污水回用净化处理 污水中有用物质的回收 矿泉水的制备、饮用水、井水的脱菌处理，去除水中各种悬浮物、胶体杂质，特别是去除隐孢子、鞭毛虫、大肠杆菌等致病微生物 口服液、生物制品的除菌、澄清、纯化分离 高纯水终端处理 果汁、蛋白质、酶制

15、剂的浓缩分离 超滤的优点：具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和节能。 2.5连续电除盐 工作原理这种方法也被叫做EDI，是将电渗析技术和混和离子交换技术相结合起来的水处理方法，集中了两者的优点，克服了它们的缺点而形成的一种新技术。电渗析是通过通电后，阴阳离子会跑向不同的两极，而在电渗析室内又被阴阳膜所分隔成一间间小室，阴膜和阳膜间隔排放，而阳膜只能通过阳离子，阴膜只能通过阴离子。从而，形成了淡水室和浓水室间隔排列的布局。在最两端的叫做极水室。浓水和极水排放，淡水收集。连续电除盐的应用EDI主要是用在反渗透之后，代替混床进行深度除盐。在20世纪末，世界各国已有约1000套ED

16、I系统在电业（核电站或一般发电厂）、电子、医药及一些要求用超纯水的工业用水行业和研究单位中运行。国外对它的发展是持乐观态度，认为前景看好。我国近几年也发展起来，现全国各地已有百多套EDI系统在运行。一般来说，如进水仅通过一级反渗透，EDI产品水的电阻率在15M.cm以上；如通过两级反渗透，则EDI产品水可达1618M.cm。优点EDI可以用来代替混床来作为纯水的深度处理，并且出水比混床要好很多，他可以达到出水电阻率18.2Mcm，在水处理工艺上，这被称为超纯水，而一般混床出水在10Mcm已经算是很高的了。 所以在水质要求高的行业，如电子行业、制药行业等，都在使用EDI来代替混床，制出含盐量更少

17、，更纯的水。2.6主除盐工序的确定 电子用纯水不同于一般的纯水制备，它对水质具有更为严格的规定，属于高纯水范畴。一般来说，高纯水制备主要包括预脱盐与精处理脱盐两大部分，如何进行工艺的选择和组合成为高纯水制备的关键。根据水质检测情况和出水要求。要达到终端水质达到电子级超纯水中国国家标准GB/T11446.1-1997之EW-规定； 目前，预脱盐处理常常采用的主要是离子交换工艺和反渗透工艺。离子交换已被广泛使用许多年，我国八、九十年代初的纯水制备工艺基本上都采用离子交换法，该工艺技术成熟，工艺可靠，而且可根据目标水质的要求进行多种离子交换方式的组合。随着科技和自动化技术的发展，离子交换再生频繁、操

18、作复杂、维护麻烦、运行费用高等缺陷就越来越突出，九十年代逐渐被新的反渗透技术代替，特别是预脱盐目前基本上都采用反渗透技术。和离子交换相比，反渗透具有运行稳定、占地少、操作维护简单、可实现高度自控，处理水量越大，其优势就越明显。 预脱盐后续的精脱盐处理工艺则根据目标水质的要求而有所不同，对超高纯水（电阻率大于16 Mcm），目前一般采用更先进的EDI技术。 鉴于以上的分析，结合项目的现实情况，在综合技术因素、经济因素的前提下，确定本纯水工程采用以反渗透为主体工艺，EDI作为精处理工艺。 2.7 反渗透系统长期稳定运行的关键在于预处理，预处理的好坏不仅决定着反渗透装的清洗次数，而且决定着反渗透膜元

19、件的使用寿命。所以在主体工艺前要设置预处理预处理工艺是指脱盐工艺之前的全部工艺段。其主要目的是全部或部分去除源水中的机械杂质、悬浮物、微生物、胶体、溶解气体及部分无机、有机杂质，为脱盐及后处理工序创造条件，达到反渗透以及后处理的进水要求。预处理应包括凝聚、混凝过滤、吸附、软化、脱气、消毒等。反渗透器的进水水质要求项 目 中空纤维RO(聚酰胺膜)醋酸纤维RO （卷式膜） 浊度（度） 0.3 0.5 PH 411 46.5 FI 3 3 水温（）035，降压后最大40030，降压后最大35 余氯(mg/L) 0.1 0.5 Fe(mg/l) 0.1 0.1 Mn(mg/L) Al(mg/L) 0.

20、05 0.05 浓水，浓水，COD(mg/L) 2 2 TOC(mg/L) 5 5 BOD(mg/L) 5 5 浓水不产生沉淀浓水不产生沉淀 Ba 浓水不产生沉淀 浓水不产生沉淀 Sr 浓水不产生沉淀浓水不产生沉淀下面介绍几种预处理的方法：去除胶体和颗粒物1介质过滤从水中去除悬浮固体普遍的方法是多介质过滤。多介质过滤器以成层状的无烟煤、石英砂、细碎的石榴石或其他材料为床层。床的顶层由质轻和质粗品级的材料组成，而最重和最细品级的材料放在床的底部。其原理为按深度过滤水中较大的顾粒在顶层被除去，较小的颗粒在过滤器介质的较深处被除去。由于胶体悬浮物既很细小又由于介质电荷之间的排斥，所以单独过滤不起作用

21、。在这些情况下，在过滤前必须加絮凝剂或絮凝化学药品。常用的絮凝剂有三氯化铁、矾和PAC 2 微絮凝如果过滤前对原水中的胶体进行絮凝或混凝处理，可以大幅度地提高介质过滤器效率，使出水的SDI降低到5左右。硫酸铁和三氯化铁可以用于对胶体表面的负电荷进行失稳处理，将胶体捕捉到新生态的氢氧化铁微小絮状物上，使用含铝絮凝剂其原理相似，但因其可能有残留铝离子污染问题，并不推荐使用，除非使用高分子聚合铝。迅速的分散和混合絮凝剂十分重要，建议采用静态混合器或将注入点设在增压泵的吸入段，通常最佳加药量为1030mg/L，但应针对具体的项目确定加药量3 脱氯药剂消除余氯RO及NF进水中的游离氯要降到0.05ppm

22、以下，才能达到聚酰胺复合膜的要求。除氯的预处理方法有两种，粒状活性炭吸附和使用还原性药剂如亚硫酸钠。在小系统（50100gpm）中一般采用活性碳过滤器，投资成本比较合理。推荐使用酸洗处理过的优质活性炭，去除硬度、金属离子，细粉含量要非常低，否则会造成对膜的污染。新安装的碳滤料一定要充分淋洗，直到碳粉被完全除去为止，一般要几个小时甚至几天。我们不能依靠5m的保安过滤器来保护反渗透膜不受碳粉的污染。碳过滤器的好处是可以除去会造成膜污染的有机物，对于所有进水的处理比添加药剂更为可靠。但其缺点是碳会成为微生物的饲料，在碳过滤器中孳生细菌，其结果是造成反渗透膜的生物污染。4软化预处理原水中含有过量的结垢

23、阳离子，如Ca2+、Ba2+和Sr2+等，需要进行软化预处理。软化处理的方法有石灰软化和树脂软化。树脂软化使用钠离子置换除去结垢型阳离子，如Ca2、Ba2、Sr2，树脂交换饱和后用盐水再生。钠离子软化法在常压锅炉水处理中广泛应用。这种处理方法的弊端是耗盐量高，增加了运行费用，另外还有废水排放问题。5微滤/超滤采用超滤/微滤预处理工艺的反渗透系统叫做集成膜系统（IMS）。与采用传统预处理工艺的反渗透系统相比，IMS设计具有一些明显的优势。 MF/UF透过液水质更好。SDI和浊度更低，明显降低了对反渗透的胶体和有机物、微生物污染负荷。 由于膜在这里是污染物的绝对屏障，MF/UF滤液的高质量可以保持

24、稳定。即便是地表水和废水等水质波动异常频繁的水源，这种稳定性也不会改变。 由于胶体污染减少，反渗透系统的清洗频率明显降低。 与一些传统过滤工艺相比，MF/UF系统操作更容易，耗时更少。 与采用大量化学品的传统工艺相比，MF/UF浓缩废液的处置比较容易。 占地面积更小，在一些大系统中，有时只相当于传统工艺的1/5。 有利于系统的扩大增容。6 保安过滤器所有RO/NF装置上都配有筒式保安过滤器，滤器的过滤孔径要求至少为10um。保安过滤器是膜和高压泵的保护装置，防止可能存在的颗粒物引起的破坏，是最后一道预处理手续。推荐保安过滤器的孔径不大于5um。当浓水中硅的浓度超饱和时，宜使用1um的滤芯，用来降低硅与铁和铝胶体的相互作用。预处理的确定